El silbido que escucha de fondo cuando sube el volumen de su reproductor de música se llama "ruido". La mayor parte de este silbido se debe al movimiento térmico de los electrones en los circuitos del reproductor de música. Como moléculas en un gas caliente los electrones en los circuitos se mueven constantemente de manera aleatoria, y este movimiento da lugar a una señal de ruido no deseada.

Pero hay otro tipo de ruido que solo entra en juego cuando tenemos una corriente eléctrica fluyendo. Este ruido se conoce como ruido de disparo. Los obstáculos que generan ruido de disparo de esta manera se encuentran en muchos componentes electrónicos, como diodos y algunos transistores, y los ingenieros electrónicos realizan grandes esfuerzos para tratar de eliminar los efectos de todas las fuentes de ruido, incluido el ruido de disparo, en sus diseños.

Ahora, un nuevo estudio ha demostrado que el ruido de disparo se puede eliminar en su origen microscópico. Y para hacerlo han tomado prestada una idea de una fuente poco probable:los primeros días de la máquina de vapor.

Rareza cuántica

El ruido de disparo tiene su origen en el hecho de que la corriente eléctrica está compuesta por una corriente de partículas individuales, electrones, y que el comportamiento de estas partículas se rige por las extrañas leyes de la mecánica cuántica.

Cuando un electrón encuentra un obstáculo que pensaría que bloquearía su camino, La mecánica cuántica ofrece la posibilidad de que pueda atravesarla sin obstáculos. A esto se le llama tunelización cuántica, y hace posible lo aparentemente imposible. Lo importante de la tunelización cuántica es que es un proceso aleatorio:la mecánica cuántica puede decirnos con qué probabilidad podría hacer un túnel un electrón, pero no puede decirnos si algún electrón en particular formará un túnel o no.

Por lo tanto, si una corriente de electrones choca contra un obstáculo, algunos harán un túnel y otros no, y esto sucede de una manera completamente aleatoria. Si pudiéramos escuchar la llegada de una corriente de electrones haciendo un túnel de esta manera, sonaría algo así como el repiqueteo aleatorio de las gotas de lluvia sobre un techo plano. Es esta aleatoriedad en comparación con el goteo reglamentado de un grifo, que compone el ruido de disparo.

En el siglo 18, James Watt estaba luchando para que su máquina de vapor funcionara a una velocidad constante. Para resolver este problema, se le ocurrió el "gobernador centrífugo" en 1788, un artilugio que consistía en dos bolas de metal que giraban sobre un eje vertical impulsado por la máquina de vapor. Si el motor funcionaba demasiado rápido, las bolas se moverían hacia arriba bajo la fuerza centrífuga (una fuerza que actúa sobre un cuerpo que se mueve en una trayectoria circular se dirige lejos del centro alrededor del cual se mueve el cuerpo).

Este movimiento se acopló a una válvula que luego redujo el flujo de vapor a través del motor, ralentizándolo. En cambio, si el motor estaba funcionando demasiado lento, las bolas caerían, las válvulas se abrirían y el motor se aceleraría. De este modo, Watt pudo estabilizar la salida de su motor a una velocidad constante. Al hacerlo, se le ocurrió un ejemplo temprano de lo que ahora llamaríamos control de retroalimentación.

James Watt al rescate

El nuevo experimento se centra en un dispositivo electrónico ultrapequeño conocido como transistor de un solo electrón, que algún día puede ser la base de un sistema extremadamente eficiente, electrónica en miniatura. Estos transistores de un solo electrón son algo así como transistores ordinarios, que conmutan señales electrónicas, pero llevados al límite extremo de la miniaturización, de modo que los electrones se mueven a través de ellos uno a la vez. Esto sucede a través de un túnel cuántico, lo que significa que la corriente a través de un transistor de un solo electrón sufre la aleatoriedad del ruido de disparo.

Usando medidas de carga sensibles, los investigadores pudieron detectar exactamente cuándo un electrón había atravesado el transistor. Basado en este conteo de electrones, luego ajustaron los voltajes del transistor, siguiendo la receta de Watt para el gobernador centrífugo:si se hubieran tunelizado más electrones de lo normal, cambiaron los voltajes para reducir el flujo; si menos hubieran hecho túneles, los voltajes se cambiaron para aumentar el flujo.

De este modo, pudieron demostrar que, después de un cierto tiempo, el número total de electrones que han atravesado el dispositivo podría controlarse con precisión, con los resultados casi completamente libres de la aleatoriedad del ruidoso proceso de tunelización.

Es posible que la técnica no llegue a sus dispositivos electrónicos de consumo en el corto plazo. La investigación se llevó a cabo a baja temperatura en un solo dispositivo, por lo que primero tendríamos que hacerlo funcionar a temperatura ambiente y ampliar la función. Sin embargo, representa un avance importante, ya que informa la primera aplicación de control de retroalimentación en la electrónica que actúa a nivel del electrón individual.

Los resultados son especialmente importantes para el desarrollo de futuras tecnologías cuánticas, que buscan aprovechar las peculiaridades de la física cuántica para fabricar dispositivos que superen ampliamente nuestro mejor rendimiento actual. Estas máquinas podrían suponer un gran impulso en áreas como la comunicación segura, descifrado de códigos, medición de precisión y análisis cuantitativo de "big data". Sin embargo, las tecnologías cuánticas requieren un grado exquisito de control y, como muestra esta investigación, Las técnicas de retroalimentación probadas y verdaderas que tienen sus raíces en la era del vapor aún pueden tener un papel importante que desempeñar.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.